散裝水泥運輸罐車剎車過程物料流動特性研究

朱學平 陳靜 胡亞貞

中航工業安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

1 引言

散裝水泥運輸半掛車使用方便、運輸效率高、成本低，是實現中短途散裝水泥運輸的較好工具。為實現整車質心低、行駛安全、經濟效益高的特點，國內散裝水泥運輸半掛車多采用V型臥FLUENT計算流體動力學軟件，本文對散裝水泥運輸罐車在剎車過程罐內水泥的流動特性進行了數值模擬和式罐的結構[1]。近年來，隨著計算機運算速度的提高，針對散裝物料運輸車物料流動特性的數值模擬技術得到了迅速發展[2-4]。為探索散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中罐內水泥的流動特性，基于研究。

2 雙流體模型及控制方程

歐拉雙流體模型的基本假設[5]：把顆粒和氣體都看成是連續介質；認為空間各點都有這兩種流體各自不同的速度、密度分布，共同占據同一空間而互相滲透；顆粒和氣體存在不同的體積份額（或出現的概率），相互間存在著滑移。根據質量守恒和動量守恒定律，建立連續方程和動量方程[6]：

連續性方程：

式中，α、ρ、v分別表示體積分數、密度和瞬時速度，S為質量源項。

式中， g為重力加速度，β為相間交換系數，p為壓強，τ為應力張量，u為平均速度。

氣固相之間曳力關系采用Syamlal-O'Brien曳力定律，其控制方程為：

式中，vs,r為固相終端速度，CD，Res分別表示曳力系數，相對雷諾數，計算公式如下：

3 物理模型及計算結果

3.1 物理模型及邊界條件

散裝水泥運輸半掛車罐體為V型結構，如圖1所示。罐體由封頭、直角斜錐筒體、氣室結構組成，涉及到的物理模型計算參數如表1所示。理論設計狀態下，牽引車載荷：

計算得K1=40.81%，適用于6×4型牽引車，此類車型具有轉彎半徑小、承載量大等優點。

表1 物理模型參數表

由于散裝水泥運輸半掛車罐體左右兩側為對稱結構，可簡化二維縱向截面作為散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中做減速運動數值模擬的計算區域，如圖2所示。操作條件：罐內壓力為0.1 MPa，溫度為30℃，初始罐內水泥高度為2.57 m，初始固含率為0.467 7。制動過程的工況參數如表2所示，假設在剎車過程中，散裝水泥運輸半掛車做勻減速運動，數值模擬所涉及到的氣-固物性參數如表3所示。

表2 制動過程工況參數

表3 氣-固物性參數

對上述模型計算區域使用ICEM劃分不大于5 mm×5 mm的結構化網格，網格結點數為904 406，應用計算流體動力學軟件FLUENT，結合邊界條件，對控制方程進行非穩態數值求解，計算時間步長為0.001 s，計算模擬剎車過程時間為2.4 s。

3.2 計算結果

圖2為常規散裝水泥半掛車在加速度a=－6.9 m/s工況下，剎2車過程罐內水泥瞬時顆粒體積分數的動態示意圖。從圖2可以看出，在初始狀態（t=0）時，罐內下層為水泥固體顆粒，占罐體總體積分數的80%，上層為空氣。剎車初始階段，罐體由于受到向前的加速度影響，罐內水泥開始向前運動，前端水泥不斷升高，尾部水泥不斷降低。隨著剎車時間的持續，罐體前部水泥不斷增加，直至漫過罐頂；罐體后部水泥不斷減少，并出現“空腔”現象，同時罐體底部局部出現水泥堆積現象。當罐內水泥向前運動出現最大化后，后部水泥又不斷向后回落。在t=2.4 s剎車結束時刻，牽引車載荷占水泥總質量的55.33%，明顯高于設計載荷，散裝水泥半掛車會出現掛車前輪磨損嚴重、牽引車爆胎等現象。同時，由于水泥物料的靜止安息角為40～45°[7]，剎車后物料不能恢復到平穩狀態，罐內前側物料多，后側物料少；由于前后側進氣室同時進氣，會出現后側粉粒物料先卸完，前側粉粒物料后卸完，即前后部分粉粒物料卸料不同步，從而影響卸料總時間。

3.3 罐體結構改進后計算結果

圖3為罐體結構改進后的散裝水泥半掛車，在加速度α=-6.9 m/s2工況下的剎車過程中，罐內水泥瞬時顆粒體積分數的動態示意圖。從圖3可以看出，改進后在罐體相應位置增設了阻流板。剎車時，水泥物料向前運動，在阻流板前側形成一個“空腔”，隨著剎車過程的繼續，空腔的氣體從阻流板下側向后溢出，前側溢出氣泡小于后側阻流板溢出氣泡，氣泡的向后運動和水泥物料的向前運動構成了罐內氣體-水泥物料兩相在剎車過程中的紊流流場。在t=2.4 s剎車結束時刻，牽引車載荷占水泥總質量的47.06%，低于罐體結構改進前的牽引車載荷。

3.4 剎車過程牽引車載荷的變化

圖4為剎車過程0～2.4 s牽引車載荷變化的曲線圖。其中紅色圓點 曲線為常規散裝水泥運輸半掛車剎車過程中牽引車載荷的變化曲線，剎車時，主車載荷不斷增大，后趨于平穩，并略有下降趨勢，在t=2.0 s時，主車載荷達到最大值，占水泥總質量的56.37%；綠色方點 曲線為在散裝水泥運輸半掛車罐內增設阻流板后，剎車過程牽引車載荷的變化曲線。剎車時，主車載荷不斷增大，最后趨于平穩，其載荷變化幅度遠小于原始模型牽引車載荷，在t=1.8 s時主車載荷達到最大值，占水泥質量的47.27%。可以看出，改進后模型在罐內增設阻流板能明顯降低散裝水泥運輸半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

4 結語

散裝水泥運輸半掛車在剎車過程中，罐內水泥向前運動，牽引車載荷高于設計載荷，會引起掛車前輪出現磨損及牽引車爆胎現象，同時由于水泥的物料安息角為40°～45°，剎車后物料無法恢復到平穩狀態，會引起罐內前后部分卸料不同步問題，從而會降低卸料速度。對此提出了通過在罐體內部增設阻流板的改進措施，可有效降低散裝水泥半掛車在剎車過程主車載荷的變化。

[1] 徐達,蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京理工大學出版社,1998.

[2] 裴未遲,韓炬,李耀剛.散裝水泥運輸罐車流化床改進方案的研究及仿真[J].中國粉體技術,2011(04):5-7.

[3] 紀宏超,李耀剛,王玉彬.基于FLUENT二次開發的散裝水泥運輸車卸料過程數值模擬[J].中國粉體技術,2012(05):45-49.

[4] 朱學平.散裝面粉運輸車流化床流動特性的數值模擬[J].專用汽車,2013(07):84-86.

[5] 楊太陽,王安仁,張鎖江等.氣固鼓泡流化床的流動特性數值模擬[J].計算機與應用化學,2005(03):206-210.

[6] 王偉文,董海紅,陳光輝等.氣固流化床內寬篩分硅粉顆粒流化特性的數值模擬[J].高校化工學報,2011(2):276-282.

[7] 成大先.機械設計手冊第1卷[M].北京:化學工業出版社,2008.